山西省黃土崩塌影響因素及時空分布特征

毛佳睿，武 雄

(中國地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

黃土是干旱半干旱地區(qū)由風(fēng)力搬運(yùn)堆積的一種弱膠結(jié)、非飽和、多孔隙的第四系沉積物，在亞洲、歐洲、北美及南美等地均有分布。中國黃土大體上分布于昆侖山與秦嶺以北，賀蘭山、阿爾泰山和大興安嶺以南，構(gòu)成北西西—南東東走向的黃土帶，分布總面積達(dá)64×104km2，占中國陸地面積的6.67%[1-4]。黃土以粉塵顆粒為主，同時含有少量砂粒及黏粒。黃土中的黏土礦物隨時代漸老含量漸增，黃土的膠結(jié)程度也隨之增強(qiáng)[5-6]。此外，大量孔隙和節(jié)理的存在導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)松散，在諸多因素(降雨、溫度變化、人類工程活動等)的作用下，易產(chǎn)生黃土崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[7-8]。

山西省是位于黃河中游東岸、華北平原西側(cè)的內(nèi)陸省份，是典型的黃土廣泛覆蓋的山地高原。近年來，山西省大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，黃土地區(qū)工程活動的數(shù)量和種類均顯著增多，致使地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。在各類災(zāi)害中，黃土崩塌所占比重較大，災(zāi)情較為嚴(yán)重，影響范圍逐漸擴(kuò)大，成為造成每年傷亡人數(shù)最多的地質(zhì)災(zāi)害[1]。2005年5月山西省吉縣水洞溝崩塌造成24人死亡，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 000萬元。2009年11月中陽縣崩塌(土方2.5×104m3)造成23人死亡6間房屋被毀。2015年5月臨縣黃土崩塌造成4戶9人被掩埋。2019年3月呂梁市興縣一洗煤廠發(fā)生黃土崩塌，致死2人。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征與分布特征一直是各級國土部門研究的重點，是后續(xù)研究的基礎(chǔ)[9-11]。目前研究成果主要應(yīng)用于以下三個方面：一是結(jié)合地質(zhì)環(huán)境及氣象因素，對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行氣象預(yù)報[12-18]；二是在確定的研究區(qū)域，以不同調(diào)查精度形成地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價成果[19-25]；三是針對具體的地災(zāi)案例，開展災(zāi)情分析及成因機(jī)理與災(zāi)害發(fā)生趨勢的研究，并排查周邊地質(zhì)災(zāi)害隱患的分布情況[26-29]。為了防止山西黃土地區(qū)“病態(tài)”環(huán)境的繼續(xù)惡化，預(yù)防傷亡事故的發(fā)生，深入了解山西省黃土崩塌發(fā)生的影響因素，探究崩塌的分布特征，對促進(jìn)后續(xù)成果轉(zhuǎn)化、防災(zāi)減災(zāi)具有一定的科學(xué)和工程意義?，F(xiàn)收集山西省11個地級市共49個縣發(fā)生的194處崩塌的相關(guān)資料，在對已獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)之上，總結(jié)導(dǎo)致黃土崩塌的內(nèi)因及外因，并重點討論黃土斜坡形態(tài)(坡型、坡向、坡高及坡度)、降雨、凍融、晝夜溫差及人類工程活動對崩塌的影響，以期揭示黃土崩塌的時空分布特征。

1 研究區(qū)概況

山西省地處黃土高原，黃土主要分布于晉西、晉東、晉西南、晉西北這四個區(qū)域，境內(nèi)總面積約15.7×104km2，覆蓋率高達(dá)72%以上，是中國黃土分布最廣泛的省份之一[30-31]。省內(nèi)多丘陵、山脈，分布面積占全省面積的4/5。山西省為溫帶大陸性氣候，年平均降雨量在400～700 mm內(nèi)，受地形地貌的影響，降雨量時空分布不均。在時間上，春、秋、冬季雨水少，降雨主要集中在夏季，全年降雨量最多的月份為7—8月，總降雨量約占全年的60%以上，且多大雨或暴雨。在空間上，降雨量從西北向東南有增大的趨勢。山西省的年平均氣溫3～14 ℃，冬季寒冷，氣溫低于0 ℃，夏季炎熱，7月份氣溫在21～26 ℃內(nèi)[32]。由于復(fù)雜的地貌和其特有的氣候，山西省黃土崩塌頻發(fā)，且具有發(fā)育分散、規(guī)模和危害程度大小不一、誘發(fā)因素多樣的特點[33]。

2 黃土崩塌的內(nèi)因

2.1 坡型

已有學(xué)者將黃土斜坡劃分為四種坡型：直線型、凸型、階梯型和凹型[34-35](表1)。在能獲取到坡型資料的180處黃土崩塌中，有90處崩塌發(fā)生于直線型坡，占崩塌總數(shù)的50%；42處崩塌發(fā)生于凸形坡，占崩塌總數(shù)的23%；階梯形坡24個，占總數(shù)的14%；凹型坡22個，占總數(shù)的12%[圖1(a)]?？梢娭本€型坡對黃土崩塌的易感性最高，是最容易發(fā)生崩塌的斜坡形態(tài)，凸型坡次之，階梯型和凹形坡最不易破壞。一般來講，直線型坡和凸型坡的坡度一般較大，坡型較陡，故其內(nèi)部應(yīng)力變化率較大，且應(yīng)力集中明顯。凹型坡整體形態(tài)是緩坡和陡坡的組合，斜坡下部的緩坡支撐上部陡坡，減小了陡坡內(nèi)部的應(yīng)力變化率，削弱了斜坡的應(yīng)力集中[36]。通常，階梯型斜坡坡腳處最大剪應(yīng)力只有直線型坡的1/2[37]。階梯型坡在每級階梯上的應(yīng)力分布與直線型斜坡相似，但由于平臺將原本高陡的斜坡劃分成多級高度較小的斜坡，不僅減小了各級斜坡內(nèi)部應(yīng)力大小，還削弱了坡腳的應(yīng)力集中，有利于斜坡的穩(wěn)定[38-41]。

2.2 坡向

除坡型外，坡向也表現(xiàn)出對黃土崩塌有一定的影響。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)[圖1(b)]，黃土崩塌集中發(fā)生于坡向為180°～270°的向陽坡，共72處，占總數(shù)的40%，其次是坡向為90°～180°的陽坡，共50處，占總數(shù)的28%。這是因為陽坡受日照長、白天土體溫度相對較高，晝夜溫差大，受風(fēng)化強(qiáng)，致使其結(jié)構(gòu)破碎，不利于斜坡穩(wěn)定。另外，陽坡通常居住人口較多，修建公路等頻繁的人類工程活動對斜坡體擾動程度大，加劇了崩塌災(zāi)害的發(fā)生[42-43]。

2.3 坡高

坡高也是崩塌發(fā)生的主要控制因素之一[圖1(c)]。數(shù)據(jù)表明，高度在0～10 m內(nèi)的斜坡發(fā)生崩塌的數(shù)量最多，共106處，占調(diào)查總數(shù)的59%；10～20 m的斜坡發(fā)生崩塌的數(shù)量次之，共48處，占總數(shù)的27%；20 m以上的斜坡發(fā)生崩塌的數(shù)量最少，僅有26處，占總數(shù)的14%。對這些發(fā)生崩塌的斜坡進(jìn)行野外觀測，發(fā)現(xiàn)這主要因為斜坡越高，之前被風(fēng)化剝蝕的時間越長，斜坡形態(tài)普遍較緩。相反，斜坡較低時，坡型一般較陡，坡度普遍較大，為崩塌發(fā)生提供有利條件[44]。另外，這也跟調(diào)查到的崩塌多數(shù)規(guī)模都較小有關(guān)。

表1 黃土斜坡坡型分類

圖1 斜坡形態(tài)對黃土崩塌的影響

2.4 坡度

坡度對崩塌的發(fā)育也有一定的影響。如圖1(d)所示，坡度大于60°的斜坡容更容易發(fā)生崩塌，并且坡度越大，崩塌發(fā)生的數(shù)量越多。據(jù)統(tǒng)計，坡度小于50°的斜坡發(fā)生黃土崩塌的數(shù)量最少，僅10處，占崩塌總數(shù)的6%；10%的黃土崩塌發(fā)生于坡度為50°～60°的斜坡，共17處；17%發(fā)生于60°～70°的斜坡，共56處；31%發(fā)生于70°～80°的斜坡，共56處；37%發(fā)生于80°～90°的斜坡，共67處。這是因為坡度控制著坡體內(nèi)的應(yīng)力分布。如圖2所示，斜坡的坡肩處分布有徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，當(dāng)坡度變大時，二者可轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，在坡肩處形成張力帶，且張力帶的范圍隨著坡度增大而擴(kuò)大。最終，坡肩被拉裂破壞，有利于發(fā)生崩塌[37]。

圖2 不同坡度斜坡張力帶分布

3 黃土崩塌的外因

3.1 降雨

中國地質(zhì)部門對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的研究表明，降雨是影響斜坡穩(wěn)定性的重要因素。有數(shù)據(jù)顯示，約有76.9%的地質(zhì)災(zāi)害是持續(xù)性降雨所誘發(fā)[45,31]。山西省由降雨引發(fā)的崩塌數(shù)占每年地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的62%以上[46]?？傮w上看，山西省的年平均降雨總量不多(表2)，但將每個月降雨量的統(tǒng)計、對比，發(fā)現(xiàn)降雨量的分布表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，全年降雨量的60%都集中在7—8月份，且7月是全年降雨量最多的月份，占總降雨量的24.8%[47-48]。由圖3可以看出崩塌次數(shù)與降雨量幾乎成正相關(guān)。

表2 山西省氣候條件概況

圖3 山西省黃土崩塌在每個月的分布

降雨誘發(fā)崩塌發(fā)生通常有三種形式：濺蝕、鏟流和滲流。降雨初期，雨水擊濺坡面，黏結(jié)較差的土顆粒受到雨滴沖擊而分離，雨水溶解土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)，破壞土體的原始結(jié)構(gòu)，斜坡表層受到侵蝕局部形成小型坑洼[49]。當(dāng)坑洼處蓄滿水后，斜坡表面形成薄層水流，表層粒徑較小的土顆粒受到水流的鏟蝕而運(yùn)動。持續(xù)的降雨使薄層水流匯集形成坡面徑流，徑流沿著節(jié)理裂隙以及濺蝕、鏟蝕形成的小型侵蝕溝入滲，斜坡內(nèi)部會在徑流侵蝕作用下形成優(yōu)勢滲流通道，使斜坡內(nèi)局部被掏蝕成空腔[50-51]。由于降雨入滲，斜坡土體趨于飽和，抗剪強(qiáng)度降低，不利于斜坡的穩(wěn)定，崩塌容易發(fā)生。

3.2 凍融

由圖3可以看出，除了雨季(7—8月)之外，每年的3—4月也是黃土崩塌的多發(fā)期。這段時間是從冬季轉(zhuǎn)向春季的過渡期，土體溫度在短時間內(nèi)由零下升高為零上。如圖4所示，中國黃土地區(qū)每年的12月—次年2月，土體溫度一直處于零度以下，凍結(jié)深度近1 m。3月末，天氣變暖，地溫回升，凍土層開始融化；至4月中旬，低溫快速升高至8 ℃左右，斜坡土體基本全部解凍[52-54]。山西省3—4月氣溫升高，最高氣溫與最低氣溫之間可相差20 ℃左右(表3)，在懸殊的氣溫變化過程中，土體凍融現(xiàn)象不斷發(fā)生，崩塌極易發(fā)生。

圖4 黃土斜坡地溫月際變化

表3 山西省由凍融引發(fā)的黃土崩塌

凍融主要通過如下兩方面的作用促使黃土崩塌的發(fā)生：①凍脹作用破壞土體結(jié)構(gòu)，降低土體抗剪強(qiáng)度：黃土自身包含大量大孔隙，凍脹會進(jìn)一步加大土顆粒之間的距離，疏松土體結(jié)構(gòu)，使土體的干密度降低，進(jìn)而降低其黏聚力和內(nèi)摩擦角。②融化作用導(dǎo)致冰雪融水沿土體孔隙滲入，土體重量增加，黃土濕陷，抗剪強(qiáng)度降低：解凍融水將黃土顆粒間的膠結(jié)物，特別是鈣質(zhì)膠結(jié)溶解后沖出，黃土結(jié)構(gòu)變得不完整，甚至容易發(fā)生失陷；土體中孔隙水壓力會因融水的存在而升高，進(jìn)而降低土體的抗剪強(qiáng)度，對斜坡整體失穩(wěn)起到了一定的激發(fā)作用[55-56]。

3.3 晝夜溫差

山西地處黃土高原，晝夜溫差較同緯度其他地區(qū)大，不論冬夏，均可達(dá)10 ℃左右(圖5)。通過觀測黃土高原整一年土體溫度的日變化，發(fā)現(xiàn)斜坡80 cm深度范圍內(nèi)的土體溫度日變化明顯[57]，且土層深度越小，受大氣溫度變化的影響就越大。晝夜溫度變化過程中，地溫也隨之改變，斜坡土體熱脹冷縮，收縮應(yīng)力和膨脹應(yīng)力循環(huán)往復(fù)作用于土體上，土體結(jié)構(gòu)變得疏松，斜坡整體穩(wěn)定性降低，為崩塌創(chuàng)造條件。資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，由晝夜溫差導(dǎo)致的崩塌通常發(fā)生在晚上九點至次日凌晨四點。

數(shù)據(jù)來源于2014年4月至2017年9月山西省臨縣實地監(jiān)測

圖6 動植物影響

3.4 動植物活動

山西地處黃土高原，這里的植被多為草本和灌木，植物的根系發(fā)達(dá)，分支率高。根系的存在增大了土體透水性，當(dāng)有水流滲入時，土體被軟化，強(qiáng)度降低。另外，土層內(nèi)大量的根系延伸生長，根劈作用會破壞斜坡的完整性[圖6(a)]。植物的根劈作用是風(fēng)化作用的另一種表現(xiàn)形式，可以分為化學(xué)風(fēng)化作用和機(jī)械風(fēng)化作用[58]?；瘜W(xué)風(fēng)化表現(xiàn)為微生物對土體的影響，植物根系生長過程中，會通過生物群落從土體內(nèi)部汲取礦物質(zhì)和營養(yǎng)，土體受到根系生長發(fā)育影響容易產(chǎn)生裂隙[59-60]。機(jī)械風(fēng)化主要體現(xiàn)在根系生長發(fā)育過程中具有膨脹力，造成土體內(nèi)部的裂紋形成及擴(kuò)展。據(jù)測算，樹根對裂縫兩壁的擠壓力超過15 kg/cm2，根劈產(chǎn)生的豎直劈理最寬可達(dá)10 cm，植物的根系越粗破壞力越強(qiáng)。有觀測表明，植物生長能夠加速坡面風(fēng)化層的形成，從而增加淺表層崩塌的發(fā)生頻率[61]。另外，一些河谷階地、梯田陡坎、溝谷邊緣的黃土地層都是生物作用十分活躍的地帶。小動物的洞穴，如蛇洞、鼠洞以及一些蟲孔等都可能成為使黃土斜坡結(jié)構(gòu)遭到破壞的因素，從而誘發(fā)崩塌發(fā)生[圖6(b)][1]。

3.5 人為因素

山西省常住人口為3 718.34萬，大約有42%的人居住在農(nóng)村。隨著人們對生活、工作的環(huán)境，特別是居住環(huán)境的要求越來越高，人類的工程活動不斷在黃土地區(qū)升級。這些工程活動主要包括切坡建房、開挖窯洞、修筑梯田、修建道路等[10,43,62],如圖7所示。

圖7 山西省主要人類工程活動

切坡建房通常使局部邊坡陡立，在斜坡應(yīng)力場快速調(diào)整過程中，斜坡后緣通常產(chǎn)生卸荷拉張裂隙，導(dǎo)致斜坡結(jié)構(gòu)破壞[圖7(a)]。開挖窯洞時，若窯洞的幾何斷面設(shè)計不合理，導(dǎo)致局部拉應(yīng)力集中，開挖后緣產(chǎn)生平行坡面的卸荷裂隙，隨后出現(xiàn)冒頂破壞[43,63][圖7(b)]。修筑梯田改變了斜坡的形態(tài)，增加了承接降雨的平臺，加大了地表徑流量和降雨入滲量。加上農(nóng)田灌溉，斜坡土體的含水量較之前變大，局部形成飽水帶，土體軟化，構(gòu)成潛在破壞面[64-65][圖7(c)]。黃土地區(qū)交通線路選址通常在溝谷、溝壑的岸坡或者是沿著半山坡延伸，修筑過程中不可避免地要開挖坡腳、切割坡體，形成許多高陡邊坡，出現(xiàn)大量臨空面，給崩塌破壞提供了孕育環(huán)境[66-67][圖7(d)]。同時，由于坡面防水、排水設(shè)施位置設(shè)計施工等技術(shù)問題，加上邊坡設(shè)計高度較大，坡度較陡，植被覆蓋較少，在降雨影響下最終導(dǎo)致崩塌[68-69]。對山西省5 a間所發(fā)生的黃土崩塌的調(diào)查顯示，由于人類工程活動導(dǎo)致的黃土崩塌占總崩塌數(shù)的67%(圖8)，且人類工程活動越強(qiáng)烈的地區(qū)，崩塌災(zāi)害越是集中。

圖8 山西省人類工程活動對崩塌的影響

4 結(jié)論

獲取了山西省194處黃土崩塌的數(shù)據(jù)資料并進(jìn)行綜合分析，得出如下認(rèn)識：

(1)黃土崩塌的影響因素大致可分為內(nèi)因和外因：內(nèi)因主要為黃土斜坡自身的形態(tài)特征，如坡型、坡向、坡度、坡高；外因主要是降雨、凍融、晝夜溫差、動植物活動及人類工程活動。

(2)黃土崩塌容易發(fā)生于直線型坡，凸型坡次之，凹形坡和階梯型坡較少。直線型坡和凸形坡因其坡度較陡，應(yīng)力變化率大且有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，故穩(wěn)定性差。凹型坡和階梯型坡因坡型較緩，應(yīng)力變化率小，穩(wěn)定程度較高；坡度大于60°的斜坡多發(fā)黃土崩塌，且發(fā)生崩塌的數(shù)量隨著坡度的增大而增多。這是因為斜坡坡度越大，坡肩處所受拉應(yīng)力越大，越容易出現(xiàn)拉張裂隙，導(dǎo)致斜坡整體破壞；坡高小于40 m的斜坡發(fā)生黃土崩塌的數(shù)量居多，發(fā)生于5～20 m斜坡的更為多見。低于5 m的斜坡，坡體內(nèi)部應(yīng)力一般較小，穩(wěn)定程度好，而高于40 m的斜坡往往因遭受長期風(fēng)化侵蝕，其坡型較緩，也不易發(fā)生崩塌。黃土崩塌發(fā)育的優(yōu)勢坡向是180°～270°的向陽坡，這主要是因為陽坡晝夜溫差大，受風(fēng)化作用強(qiáng)，坡體結(jié)構(gòu)較為破碎，坡體穩(wěn)定性差。

(3)黃土崩塌的發(fā)生存在一定的時間規(guī)律：從一年來看，黃土崩塌個數(shù)與降雨量幾乎成正相關(guān)，崩塌主要集中在降雨量最多的7—8月。另外，3—4月也是黃土崩塌的多發(fā)期，此時崩塌多是由凍融誘發(fā)。在一天當(dāng)中，黃土崩塌多發(fā)生在晚上9點至次日凌晨4點，這可能是斜坡受晝夜溫差影響的結(jié)果。

(4)工程活動越強(qiáng)烈的地區(qū)，黃土崩塌越是易發(fā)。山西省黃土地區(qū)人類工程活動主要有切坡建房、開挖窯洞、修筑梯田、修建道路等。這些工程活動通?？焖俑淖冃逼滦螒B(tài)，所形成的高陡邊坡易發(fā)育卸荷拉張裂隙，加之降雨等因素影響，極易發(fā)生崩塌災(zāi)害。